Weinig termen zijn tegenwoordig meer alomtegenwoordig in de wetenschappelijke arena dan 'kwantum'.

Technologieën gebaseerd op de notoir lastige wetten van de kwantummechanica beloven computers veel krachtiger te maken dan de snelste supercomputers van vandaag. onhackbare veilige communicatie en ongekende detectiemogelijkheden die nodig zijn voor verdere wetenschappelijke ontdekking.

Maar om deze technologieën het daglicht te laten zien, onderzoekers moeten efficiënte kwantumcommunicatienetwerken ontwikkelen die kwantumapparaten met elkaar verbinden, terwijl de delicate toestanden van de deeltjes die worden gebruikt om informatie te verzenden, behouden blijven.

Een team van onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, samen met collega's van Purdue University, heeft een belangrijke stap in de richting van dit doel gezet door gebruik te maken van de frequentie, of kleur, van licht. Dergelijke mogelijkheden kunnen bijdragen aan meer praktische en grootschalige kwantumnetwerken die exponentieel krachtiger en veiliger zijn dan de klassieke netwerken die we vandaag hebben.

specifiek, het team maakt gebruik van de eigenschappen van licht en de principes van de kwantummechanica om informatie over te dragen, waardoor het netwerk zelf een fotonische kwantuminformatieprocessor wordt. Deze aanpak is om verschillende redenen veelbelovend.

Voor starters, fotonen reizen met de snelheid van het licht, zodat de informatie zo snel mogelijk van punt A naar punt B komt. Fotonen hebben over het algemeen geen interactie met elkaar of de omgeving, ervoor te zorgen dat de informatie tijdens het transport niet vervormd of beschadigd raakt. "Licht is echt de enige haalbare optie voor kwantumcommunicatie over lange afstanden, " aldus projectleider Joseph Lukens, een ORNL-onderzoeker, Wigner Fellow en winnaar van de DOE Early Career Award die de resultaten van het team heeft helpen beschrijven in Fysieke beoordelingsbrieven .

Het team gebruikte licht om frequentie-bin-qubits te produceren, of enkele fotonen die zich tegelijkertijd in twee verschillende frequenties bevinden, om voor het eerst volledig willekeurige communicatiebewerkingen in frequentiecodering te demonstreren. Hoewel frequentiecodering en verstrengeling in veel systemen voorkomen en van nature compatibel zijn met glasvezel, het gebruik van deze verschijnselen om gegevens te manipuleren en te verwerken is traditioneel moeilijk gebleken. Dergelijke operaties, echter, zijn vereist voor basisnetwerkfuncties in kwantumcommunicatie en, door verlenging, de realisatie van een breed scala aan kwantumtechnologieën.

Met behulp van een bij ORNL ontwikkelde technologie die bekend staat als een kwantumfrequentieprocessor, demonstreerden de onderzoekers breed toepasbare kwantumpoorten, of de logische bewerkingen die nodig zijn voor het uitvoeren van kwantumcommunicatieprotocollen. In deze protocollen onderzoekers moeten fotonen op een door de gebruiker gedefinieerde manier kunnen manipuleren, vaak naar aanleiding van metingen aan deeltjes elders in het netwerk. Terwijl de traditionele bewerkingen die worden gebruikt in klassieke computers en communicatietechnologieën, zoals EN en OF, afzonderlijk werken op digitale nullen en enen, kwantumpoorten werken op gelijktijdige superposities van nullen en enen, de kwantuminformatie beschermd houden terwijl deze er doorheen gaat, een fenomeen dat nodig is om echte kwantumnetwerken te realiseren.

Door te bewijzen dat hun configuratie elke qubit-status kan transformeren in een andere qubit-status, het team demonstreerde praktische informatieoverdracht. "Als je willekeurige operaties kunt doen, je kunt elk van de fundamentele kwantumcommunicatieprotocollen uitvoeren, zoals routering op basis van frequentieconversie, ' zei Lukens.

Die van hen is een van de vele verschillende systemen, maar een van de meest veelbelovende gezien de resultaten. Als voorbeeld, het team toonde met succes een betrouwbaarheid van meer dan 98% - een kwantitatieve maatstaf voor nauwkeurigheid - met behulp van hun aangepaste configuratie.

Hoewel kwantumnetwerken met frequentiebakken in het verleden moeilijk te controleren waren, de gereedschapskist van het team, Lukens zei, maakt het veel beter beheersbaar. Niet alleen dat, het is een natuurlijk geproduceerd systeem dat zich goed vertaalt naar bestaande glasvezel. In feite, het systeem is ontworpen met behulp van klassieke telecomcomponenten zoals fasemodulatoren. Deze factoren maken de technologie goedkoper en aantrekkelijker voor industrieën die deze willen toepassen. Verder, dit domino-effect bevordert tegelijkertijd zowel klassieke als kwantumcommunicatie, waardoor de methoden van het team worden verbeterd en mogelijk grootschalige kwantumnetwerken een stap dichter bij de realiteit worden gebracht.

Hun volgende experiment omvat de implementatie van hun systeem op een fotonisch geïntegreerd circuit. "Er zijn veel onvoorziene toepassingen, " zei Lukens. "Frequentiecodering wordt van nature geproduceerd door veel verschillende systemen, en het is zeer goed geschikt voor optische vezels, dus de potentiële toepassingsruimte moet breed zijn."